Voyage vers l'infiniment petit
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Les quantas

Le deuxième problème est le rayonnement du corps noir. Un corps chauffé à une température donnée émet des ondes électromagnétiques : une cheminée ou un fer à repasser, par exemple, radient de la chaleur sous forme d'ondes électromagnétiques. Comment se répartit la densité de l'énergie de l'onde électromagnétique en fonction de sa fréquence ? En d'autres termes, quelles sont les couleurs de la lumière émises par un corps incandescent ?

À la fin du XIXe siècle, John William Strutt (Lord Rayleigh) et James Hopwood Jeans s'attaquent à ce problème. De la physique classique, plus précisément de la physique statistique de Boltzmann et de la théorie électromagnétique de Maxwell, ils déduisent une loi, appelée loi Rayleigh-Jeans, qui vérifie les résultats expérimentaux pour les basses fréquences. En revanche, dans le domaine des grandes fréquences, cette loi n'est pas valable : la densité d'énergie augmenterait vers l'infini, un feu de cheminée serait donc une puissante source de rayons gamma, mortels en une fraction de seconde, comportement appelé « catastrophe ultraviolette ».

John William Strutt (Lord Rayleigh) (1842-1919), physicien anglais, professeur à Cambridge. Il découvre l'argon, étudie la propagation des ondes dans les liquides, modélise le phénomène de diffusion de la lumière par des petites particules, qui explique notamment la couleur bleue du ciel. Prix Nobel de physique en 1904.

James Hopwood Jeans (1877-1946), astronome et physicien anglais, professeur aux universités de Cambridge et Princeton. Il contribue au développement des théories de l'évolution stellaire, des nébuleuses spirales et des étoiles multiples. Il est l'auteur de nombreux ouvrages de vulgarisation scientifique en astronomie.

Le rayonnement du corps noir. La loi Rayleigh-Jeans vérifie les résultats expérimentaux pour les basses fréquences. En revanche, dans le domaine des grandes fréquences, la densité d'énergie augmente vers l'infini, comportement appelé « catastrophe ultraviolette ». La loi de Planck, déduite de l'hypothèse des quanta d'énergie, concorde parfaitement avec les résultats expérimentaux.

C'est finalement Max Planck qui en 1900, après des recherches acharnées, parvient à trouver une explication théorique aux résultats expérimentaux en émettant une hypothèse audacieuse, difficile à accepter dans le cadre de la physique classique : l'émission de la lumière ne se produit pas de manière continue mais par petits grains d'énergie, appelés quanta, dont les valeurs sont le produit de la fréquence multipliée par un nombre appelé la constante de Planck. Planck signe ainsi l'acte de naissance de la mécanique quantique.

Max Planck (1858-1947), physicien allemand, professeur aux universités de Kiel et Berlin. Il travaille dans le domaine de la thermodynamique puis dans celui du rayonnement. Pour expliquer les données expérimentales, il introduit l'hypothèse des quanta. Prix Nobel de physique en 1918.

En 1905, pour expliquer l'effet photoélectrique (l'émission d'électrons par la lumière, phénomène à la base du fonctionnement des cellules photovoltaïques), Albert Einstein émet une autre hypothèse : non seulement l'absorption et l'émission de la lumière sont discontinues, mais c'est la structure de la lumière elle-même qui est discrète, c'est-à-dire formée de corpuscules appelés photons. L'énergie d'un photon est égale au produit de sa fréquence multipliée par la constante de Planck. La lumière, qu'on associait depuis des siècles à un comportement ondulatoire, a aussi un comportement corpusculaire, comme les particules.

En 1913, Niels Bohr utilise avec succès les idées de Planck et d'Einstein pour expliquer la structure de l'atome.

En 1923, Louis de Broglie émet une autre hypothèse troublante : toute particule en mouvement a un comportement ondulatoire, de Broglie leur associe une onde dont la longueur d'onde est égale à la constante de Planck divisée par l'impulsion (l'impulsion étant égale au produit de la masse et de la vitesse de la particule).

Louis de Broglie (1892-1987), physicien français, professeur à l'Institut Henri Poincaré. Il étudie d'abord l'histoire puis s'oriente vers la physique. Pour expliquer le mouvement des électrons dans l'atome, de Broglie émet l'hypothèse de leur comportement ondulatoire qui est ensuite généralisé à toutes les particules. Prix Nobel de physique en 1929.

En 1927, Clinton Davisson et Lester Germer réfléchissent des électrons sur un cristal de nickel et obtiennent des figures de diffraction, phénomène spécifique aux ondes. Un an plus tard, George Paget Thomson envoie des électrons à travers des poudres métalliques et met en évidence lui aussi des phénomènes de diffraction. La prédiction de Louis de Broglie est ainsi confirmée.

Clinton Davisson (1881-1958), physicien américain. Il travaille au Bell Laboratories, étudie l'émission des électrons pas les métaux chauffés et contribue au développement du microscope électronique. En collaboration avec Lester Germer, il bombarde un cristal de nickel avec des électrons, obtient des figures de diffraction et confirme ainsi l'hypothèse de Louis de Broglie. Prix Nobel de physique en 1937.

Lester Germer (1896-1971), physicien américain. Il travaille au Bell Laboratories et collabore avec Clinton Davisson à l'expérience qui porte leurs noms et qui confirme la nature ondulatoire de l'électron.

George Paget Thomson (1892-1975), physicien anglais. Il travaille aux laboratoires Cavendish (Cambridge), est professeur à l'Imperial College à Londres. Il contribue à l'étude des neutrons et de la fission nucléaire. En 1928, il envoie des électrons à travers des poudres métalliques et met en évidence la nature ondulatoire des électrons. Prix Nobel de physique en 1937.

Historiquement, les électrons ont d'abord été perçus lors de leur découverte comme des particules, puis on a découvert leur caractère ondulatoire. À l'inverse, la lumière a d'abord été considérée comme une onde, puis on a découvert son caractère corpusculaire. Ainsi, la lumière et les électrons se comportent tantôt comme des ondes, tantôt comme des corpuscules. Cette dualité est un comportement quantique, elle est valable pour toutes les particules de la Nature.

Ces découvertes marquantes du début du XXe siècle préparent la construction du formalisme mathématique de la mécanique quantique.